5轴数控机床空间误差模型及辨识方法研究

对于5轴数控机床而言,多轴插补存在着大量的耦合现象,对于空间误差主要存在着进给轴直线误差与旋转轴旋转误差。依据原有的辨识方法,大多改变球杆仪安装高度与球杆仪长度方法,该方法容易在调整过程中加入干扰误差,导致求解结果不准确。文章提出了一种改变球杆仪工作空间轨迹的方法,并依据此方法进行空间误差建模工作。在使用球杆仪的基础上,结合激光干涉仪,可同时进行两个坐标系共12项误差元素的辨识,经试验结果验证,可求得刀具坐标系与工作台坐标系旋转误差元素精确解。     

基于激光跟踪仪的数控机床空间误差测量及补偿

为了改变机床空间误差综合性的测量手段和补偿技术在国内机床制造和生产中应用较少的现状和研究数控机床空间精度提升方法，介绍数控机床平动轴的21项误差和激光跟踪仪的空间误差测试原理，阐述测量与辨识机床空间误差的步骤和方法。在桥式五轴加工中心上进行空间误差测试，给出数控机床空间误差结果，并生成误差补偿文件，通过西门子的VCS功能进行了误差补偿。并对比分析了补偿前后的21项误差，对补偿前后数据的差异进行原因分析，并通过对机床空间体对角线的测量验证了空间误差测量与补偿的实际效果，补偿后误差缩小为原来的11.2%,应用该技术能够大大提高机床的空间精度。     

机床工作台精度测试的球杆仪空间PPSPS机构方法

提出了球杆仪测试机床两轴工作台精度的机构学分析方法。建立了球杆仪测试机床两轴工作台精度的空间PPSPS五杆机构模型,包括球杆仪的两个球副(S)和一个移动副(P)以及机床工作台的两个移动副(P);给出了基于机构模型的比例不匹配、不垂直度、反向越冲和反向间隙的误差辨识方法。实验结果表明,PPSPS机构模型可以一次辨识出球杆仪安装位置误差、机床移动副的方向偏差和移动副的误差运动,提高了测试效率; PPSPS机构法不作平面假设,测试结果与安装位置无关。     

数控机床旋转轴几何误差测量与辨识研究

辨识机床旋转轴的几何误差是提高机床加工性能的关键。然而在测量过程中,摆放误差对测量结果的影响不可避免。过多的拆卸与摆放不同的位置进行误差测量会导致较多的摆放误差引入到测量结果致使辨识的误差结果不精确。为了减少上述的影响,基于多体系统理论通过球杆仪测量方程提出一种测量方法,该方法仅仅通过球杆仪两个位置的移动测量便可辨识旋转轴与位置有关的6项几何误差,降低了由于过多拆卸和摆放球杆仪造成摆放误差对测量结果的影响。最后以RTTTR型五轴机床为例,通过MATLAB程序仿真验证了该方法的可行性。程序仿真表明,该方法在精密机床旋转轴几何误差测量的精度检测中具有一定的应用前景。     

立式加工中心空间误差验证及补偿

为提高某立式加工中心整机加工精度,借助旋量理论建立完备立式加工中心空间误差模型,在此基础上实现机床空间误差有效补偿.以旋量理论为基础推导并建立机床刀具运动链与工件运动链运动学正解,分析机床21项几何误差原理,在考虑21项几何误差的基础上建立该立式加工中心完备空间误差模型;利用九线法完成各项几何误差辨识;基于旋量运动学正解求解机床运动学逆解后得出运动轴实际运动路径,并通过体对角线实验对比补偿前后的效果.结果表明:所提补偿方法补偿效果显著,验证了机床空间误差模型的准确性,实现了提高机床加工精度的目的.     

基于指数积理论的三轴机床几何误差辨识方法

为解决三轴机床在球杆仪误差敏感方向上直线度误差缺项建模与误差辨识精度问题,以三轴数控机床为研究对象,根据指数积理论与三轴数控机床运动链,结合混阶切比雪夫多项式预拟合模型,构建综合误差系数模型。在双正交轴检测实验基础上,对综合误差系数模型进行Moore-Penrose逆矩阵求解,使得18项误差能够在球杆仪误差敏感方向上得到全部辨识,无需在非运动轴向进行解耦,提高辨识精度和效率。在某三轴数控机床上进行双正交轴检测实验和NC代码补偿实验,补偿后XY、XZ、YZ双正交轴实验综合误差分别减少82.02%、91.63%、70.6%,验证了所提方法的有效性。对改进前后的切比雪夫多项式预拟合模型进行残差对比,结果表明混阶切比雪夫多项式预拟合模型精度更高。     

基于Sobol’法的机床关键几何误差元素辨识方法研究

针对机床几何误差元素多、误差测量与辨识过程繁琐等问题,利用Sobol’全局灵敏度分析方法对空间误差模型中的几何误差元素进行灵敏度分析,筛选出影响较大的几何误差元素,从而降低误差测量与辨识过程的复杂度,简化空间误差模型。以螺旋理论为建模基础,建立机床空间误差模型;对所有几何误差元素进行Sobol序列抽样并通过蒙特卡洛估计法求解灵敏度,计算各误差元素的一阶灵敏度值及全局灵敏度值,从21个误差项中筛选出对机床空间误差影响较大的12项;将简化模型与完备模型进行对比,空间误差元素简化率为48%,其预测精度大于80%,说明了误差元素筛选的有效性,为机床空间误差建模、误差元素辨识以及空间误差补偿工作的简化提供参考。     

五轴数控机床旋转轴误差辨识方法研究进展

随着五轴联动数控机床在先进制造行业的地位越来越重要,机床空间定位精度显得尤为重要。旋转轴误差辨识和补偿是提高零件加工质量的一大重要指标。分析和比较近年来国内外基于球杆仪和R-test装置的五轴机床旋转轴误差辨识方法的主要特点,总结了旋转轴误差在不同定义下的辨识方法,从方法的可靠性、精度指标以及可行性等方面来综述该方法对五轴数控机床的应用价值。根据辨识原理的不足,系统性地指出了目前五轴数控机床旋转轴误差辨识存在的主要问题,并对未来的进一步研究提出了建议,为五轴数控机床旋转轴误差辨识方法提供了参考。     

非正交五轴数控机床旋转轴误差辨识方法的研究

针对国内外对于非正交数控机床的斜摆轴B轴误差辨识研究较少问题,基于多体系统理论建立非正交五轴数控机床运动误差模型,此模型包含了旋转轴B轴的共计12项静态误差和动态误差,在对此运动误差模型进行数学表达与分析后,结合Renishaw公司的QC10球杆仪测量方式设计了8种不同测量模式。最后结合测量结果可实现斜摆轴B轴的12项误差辨识,快速高效。经试验验证,这种辨识方法测量结果精确,可用于非正交五轴数控机床旋转轴误差辨识。     

基于球杆仪的VMCL600型立式加工中心精度检测与分析

基于球杆仪的误差检测原理,通过球杆仪检测VMCL600型三轴立式机床5个不同位置的误差,找出影响该型号加工中心几何精度的主要因素是垂直度误差、y轴和x轴的反向间隙、比例不匹配误差等。分析了这些误差产生的原因、对加工精度的影响并提出相应的解决措施。     

A novel spindle inclination error identification and compensation method in ultra-precision raster milling

In the ultra-precision raster milling (UPRM) process, the existence of spindle inclination error can directly affect the dimensional accuracy of machined components. This study developed a novel spindle inclination error identification and compensation method based on the groove cutting in UPRM. In this method, the tilt angle of the intersection curve of two toruses (ICTT) generated from two neighboring rotary cuts in UPRM was measured to identify the spindle inclination error. A mathematical model was developed to simulate the ICTT profile and present the relationship between the tilt angle of ICTTs and the spindle inclination error by solving the differential of the ICTT function, by which the spindle inclination error can be solved under the given cutting parameters and the tilt angle of ICTTs. The effects of cutting parameters on the tilt angle of ICTTs were explored. An error compensation procedure was designed and a group of groove cutting experiments was conducted to identify and compensate the spindle inclination error. The theoretical and experimental results show that the proposed method can compensate for the spindle inclination error effectively and accurately.     

Accuracy enhancement of five-axis machine tool based on differential motion matrix: Geometric error modeling,identification and compensation

This paper presents the precision enhancement of five-axis machine tools according to differential motion matrix, including geometric error modeling, identification and compensation. Differential motion matrix describes the relationship between transforming differential changes of coordinate frames. Firstly, differential motion matrix of each axis relative to tool is established based on homogenous transformation matrix of tool relative to each axis. Secondly, the influences of errors of each axis on accuracy of tool are calculated with error vector of each axis. The sum of these influences is integration of error components of machine tool in coordinate system of tool. It endows the error modeling clear physical meaning. Moreover, integrated error components are transformed to coordinate frame of working table for integrated error transformation matrix of machine tools. Thirdly, constructed Jacobian is established using differential motion matrix of each axis without extra calculation to compensate the integrated error components of tool. It makes compensation easy and convenient with reuse of intermediate. Fourthly, six-circle method of ballbar is developed based on differential motion matrix to identify all ten error components of each rotary axis. Finally, the experiments are carried out on SmartCNC500 five-axis machine tool to testify the effectiveness of proposed accuracy enhancement with differential motion matrix.     

Geometric error measurement and identification for rotary table of multi-axis machine tool using double ballbar

In this paper, comprehensive geometric errors, including linkage errors and volumetric errors, of a rotary table are measured totally by employing a double ballbar and obtained by a two-step identification procedure. The derivations of the center of the ball installed on the table are measured in the error sensitive directions with newly developed serial of two axes controlled circular paths. Hence, there are nine results measured from three mounting positions of the ball at the same rotation angle. These results are used to form the identification model based on the homogeneous transformation. Moreover, a sensitivity analysis method is applied to select the optimum installation parameters of the ballbar to diminish the influence of the inaccuracy of the measurement parameters. As the mounting position errors of the socket on the table are inevitable during the installation of the balls, a new correction procedure is developed as well. Finally, an experiment is conducted on the four-axis machining center. The comparison results between the predicted errors and the measured results are shown to verify the proposed method.     

基于平面光栅的加工中心几何误差辨识研究

本文运用齐次坐标变换原理和刚体假设，利用加工中心刀尖点到工件的封闭特性，推导出了包含21项几何误差的数学模型，基于平面光栅测量辨识出全部几何误差，同时还介绍了平面光栅的结构，工作原理和特点等。建立误差的模型和辨识误差的方法具有通用性，可以推广到其它多轴数控机床误差建模和误差辨识的分析之中。     

数控机床平动轴误差辨识及补偿研究

为了大幅提升数控机床平动轴的运动精度,从而满足当代数控系统对其高精度的要求,针对机床平动轴的空间几何误差开展了深入研究,提出了可以有效辨识平动轴空间几何误差的便捷方法,并基于齐次坐标变换原理建立了平动轴空间几何误差的辨识模型;针对机床平动轴定位误差的特性,提出了可以实现有效补偿的增量式误差补偿原理,并建立了相应的误差补偿模型。经验证,所提出的平动轴误差辨识法和增量式误差补偿原理不仅理论正确,而且可以大幅地提高机床平动轴的定位精度。     

基于空时模型的航空管路卡箍故障诊断研究

针对航空液压管路卡箍振动信号受强噪声干扰,导致航空卡箍故障难以精准识别的问题,提出一种空时模型的航空卡箍故障诊断新方法。建立空间特征提取模型,对航空卡箍的故障特征进行局部融合。在空间模型中引入GRU模块,提取航空卡箍故障信号中的全局特征。结果表明：设计的空时故障诊断模型可实现航空卡箍故障的精准识别。与目前所用的深度卷积神经网络模型、门控循环单元神经网络模型、循环神经网络模型、支持向量机和误差反向传播神经网络模型等5种先进的故障诊断方法进行对比分析,所提方法对航空卡箍故障识别具有优越性。     

基于轮廓误差分离的数控随动曲轴磨床性能分析

为寻找合适的误差分离方法，以数控曲轴随动磨床为性能分析对象，将影响曲轴连杆颈轮廓误差的因素分为随动因素和非随动因素；描述曲轴随动磨削的基本原理以及曲轴连杆颈轮廓生成的精确建模方法；提出将轮廓误差分离为随动误差和非随动误差的方法；通过试验数据分析得出数控随动曲轴磨床的性能评价结论。提出的轮廓误差分离方法，为数控随动磨床的性能评价提供方法指导，为误差源识别提供判断依据。     

基于敏感度分析的机床关键几何误差元素辨识与评定

为了正确识别和判定机床关键几何误差元素对机床精度设计的影响,以PCV-620立式加工中心为研究对象,采用多体系统理论建立机床空间误差模型,从而得到机床几何误差元素与机床精度之间的关联函数。对空间误差模型进行灵敏度分析,获得机床各运动方向的局部灵敏度系数,完成机床关键几何误差元素的初步辨识。以局部灵敏度系数为基础,提出一种与局部灵敏度系数和工作空间中任意位置处的几何误差元素值相关的全局灵敏度系数计算方法,将其作为机床关键几何误差元素的辨识和评定标准,分析得到PCV-620立式加工中心的关键几何误差元素包含3项定位误差、3项垂直度误差和5项直线度误差。